CN108873379A - 一种智能变焦眼镜及其变焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能变焦眼镜及其变焦方法，变焦眼镜包括外壳、镜片组、前测距传感器、亮度距离传感器、主控制板、电机和传动机构；所述镜片组包括两组镜片，所述传动机构和镜片组相连接；所述前测距传感器安装在外壳前端，所述亮度距离传感器安装在外壳内侧，所述主控制板安装在外壳上，所述前测距传感器和亮度距离传感器均与主控制板连接；所述电机和传动机构相连接，主控制板通过获取前测距传感器和亮度距离传感器采集的数据，驱动镜片移动，实现智能变焦。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能变焦眼镜及其变焦方法。
背景技术
现有智能变焦眼镜存在如下缺陷：
1.变焦范围影响产品的尺寸重量：变焦范围越大的眼镜往往其整机的尺寸、重量都越大，导致用户佩戴舒适感差；反之，尺寸、重量越小的眼镜其变焦范围通常也越小，对于高度数人群无法满足使用需求。
2.变焦精度影响产品的尺寸重量：现有的产品常用的驱动电机为微型步进电机和直流电机。采用微型步进电机驱动的机构定位精度高，因此变焦精度高，然而步进电机的功耗较大，导致电池及安装空间都较大，不利于实现产品小型化、轻量化；而采用微型直流电机驱动的方式可以显著降低电机工作电流，有利于实现产品小型化、轻量化，但机构定位精度低，影响视力训练效果。
3.驱动机构紧凑性不高：现有的机构设计形式通常采用丝杆传动或齿轮齿条传动方式，由丝杆或齿条推动镜片运行，而镜片的固定与导向需要借助单独的导向结构，导致机构空间结构复杂，且对装配要求极高，对机构老化变形敏感，工作过程中容易出现机构卡机现象。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种智能变焦眼镜，包括外壳1、镜片组2、前测距传感器5、亮度距离传感器7、处理器、三轴加速度传感器、电机12和传动机构23；
所述镜片组2包括两组镜片，，分别为前镜片24和后镜片25，所述传动机构23和镜片组2相连接；
本发明还包括鼻托8，所述前测距传感器5安装在外壳1前端，所述亮度距离传感器7安装在外壳1内侧鼻托8上方，所述处理器、三轴加速度传感器安装在外壳1上；
外壳1上设置有安装接口26，所述电机12通过安装接口26和传动机构23相连接，驱动机构运动；
处理器DA14681获取三轴加速度传感器ADXL362、前测距传感器5(型号为VL53L0X)和亮度距离传感器7(型号为PA22A)采集的数据，经程序算法分析处理后输出控制信号到电机12，通过电机12驱动传动机构23运行，从而带动镜片移动，实现智能变焦。
所述处理器对三轴加速度传感器采集的姿态数据和亮度距离传感器7采集的亮度、距离数据进行综合分析，判断眼镜是否处于佩戴状态，实现眼镜自动开关机、自动运行、停止功能。
当眼镜处于佩戴状态时，所述处理器读取镜片运行规则数据，提取运行速度(如10°每秒)、目标位置(如-100°到+100°)和重复次数(如10次)参数，通过电机12驱动传动机构23以设定的运行速度10°每秒在目标位置-100°到+100°之间往复运行，直至达到相应重复次数10次，完成本条运行规则，继续加载下一条运行规则，按上述方式运行，直至所有运行规则被执行完毕，最终将重复执行最后一条运行规则数据。
所述传动机构23包括主齿条13和副齿条17，所述主齿条13通过第一连接件15与前镜片24相连接，副齿条17通过第二连接件16与后镜片25相连接，从而驱动前镜片24、后镜片25移动。
所述处理器、三轴加速度传感器封装在主控制板11上。
所述主控制板11还包括反射型光电传感器21，用于检测前、后镜片的位置。
所述主控制板11还包括磁场传感器和电机驱动芯片，其中，磁场传感器用于检测前镜片、后镜片是否被取下，磁场传感器型号为BMM150，可以检测周围磁场强度，通过检测镶嵌在前镜片、后镜片安装面上的磁铁产生的磁场变化，判断前、后镜片是否被取下，电机驱动芯片用于驱动电机12。
所述主齿条13、副齿条17靠近主控制板11的一端各伸出一段检测面22，两个检测面22分别位于主控制板11上两个反射型光电传感器21的正下方，检测面22上等距分布矩形锯齿。由于反射型光电传感器21在其量程范围内靠近检测面22时，其输出的电流信号大小与其到检测面22距离成正比，而检测面22上等距分布的矩形锯齿的高度根据传感器21的检测范围而设计，当锯齿的高点位于传感器21正下方时，输出电流最小，锯齿的低点位于传感器21正下方时，输出电流最小，电流信号经转换电路转换成电压，处理器上的ADC端口采样处理后即可得到具体的电压值参数，进而根据该参数的变化次数实现计数，由于锯齿等距分布且尺寸已知，因此可以计算出任一时刻主齿条13、副齿条17所处的位置，由于镜片的变焦规律与主齿条13、副齿条17所处的位置关系已知，即可算出镜片变焦度数。
所述主控制板11还包括无线通信模块，用于接收上位机(如手机APP)发送的运行规则数据以及其它配置参数(如上述个传感器阈值、电量不足时的报警阈值和自动关机阈值等)，同时向上位机发送眼镜采集或记录的数据。
所述电机12为微型直流电机，型号：006006-266-03，额定电压3VDC，总长28.5mm，电机直径6mm，带直径6mm、减速比1:266的行星轮减速箱，以实现较高减速比。
本发明还包括指示灯4，指示灯4设置于外壳1正前方，并与主控制板11连接，用于指示开关机状态、充电状态以及镜片运行状态。
本发明还包括喇叭9，喇叭9设置于外壳1底部，并与主控制板11连接，所述主控制板11还包括语音芯片，语音芯片能够通过喇叭9进行语音提示。
本发明还包括充电接口10，所述充电接口10设置于外壳1上，并与主控制板11连接；所述主控制板11包括充电管理芯片。
本发明还提供了一种智能变焦眼镜变焦方法，包括如下步骤：
步骤1，处理器以50ms为周期，采集X、Y、Z三轴加速度传感器输出的加速度数据，求平均值并保存为一组数据，每N组(例如10)数据对比得出最大值、最小值，求最大值、最小值之差得到三轴加速度变化率，将该值与预先设置的符合佩戴特征的三轴加速度变化率阈值(例如X＝3，Y＝3，Z＝3)进行对比，判断眼镜是否存在有效的振动(用户佩戴时，无法做到长时间完全静止)，若是，则判定第一佩戴条件满足；同时通过上述的平均值判断眼镜当前的姿态，例如眼镜正放、侧放、或倒置(即镜片朝上)等，若未处于倒置状态，则判定第二佩戴条件满足(用户佩戴眼镜的时候，只有头顶朝下才会出现眼镜倒置的姿态，而摘下眼镜的时候，倒置姿态是很常用的一种放置眼镜的方式)；同时，处理器采集亮度距离传感器的数据并进行分析，得到环境亮度和传感器到其前方被测物距离的数据，将亮度值和距离值与预先设置的阈值(如亮度阈值128，距离阈值48)进行对比，若符合设置值范围则判定为环境亮度和检测距离有效，判定第三佩戴条件满足，上述三个佩戴条件同时满足时判定眼镜处于佩戴状态，执行步骤2，否则等待时间T(比如10分钟)后继续判断眼镜是否处于佩戴状态；
步骤2，处理器通过无线通信模块接收上位机发送的镜片运行规则数据，提取镜片运行规则数据中的运行速度、目标位置和重复次数参数，通过电机驱动传动机构以设定的运行速度运行到目标位置，重复运行，直至达到相应重复次数。
有益效果：本发明解决了变焦精度与小型化、轻量化的矛盾，本发明的传动充分利用零件加工精度远高于装配精度的优势，仅需保证零件加工精度，而对装配精度要求低，装配简单方便，可靠性高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明主视图。
图2为本发明亮度距离传感器位置示意图。
图3为本发明充电接口位置示意图。
图4为本发明外壳上各硬件位置示意图。
图5为本发明外壳上封装的机构位置示意图。
图6为齿条舱内部示意图。
图7为检测面示意图。
图8为本发明镜片组正面视图。
图9为本发明外壳示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明包括外壳1、镜片组2、镜腿3、前测距传感器5、亮度距离传感器7、鼻托8、充电接口10、主控制板11、电机12和传动机构23；
如图8所示，所述镜片组2包括两组镜片，分别为前镜片24和后镜片25，所述传动机构23和镜片组2相连接；
如图9所示，外壳1上设置有安装接口26，所述电机12通过安装接口26和传动机构23相连接，驱动机构运动；
所述传动机构23封装在外壳1中间位置，传动机构23包括主齿条13、副齿条17；
如图6所示，所述电机12包括电机输出轴，电机输出轴通过蜗杆18输出，蜗杆18再通过第一斜齿轮19与主齿条13啮合，驱动主齿条13运动，主齿条13通过第二斜齿轮20与副齿条17啮合，形成相对运动，分别带动与之相连的前镜片、后镜片作相对运动，从而实现变焦；
所述电机输出轴、第一斜齿轮19、第二斜齿轮20、主齿条13、副齿条17全部安装在齿条舱14中；
如图4所示，所述主控制板11和电机12分别安装在齿条舱14的一端和另一端，利用齿条舱上的安装接口实现定位；
所述主控制板11包括处理器、存储器、三轴加速度传感器、磁场传感器、无线通信模块、反射型光电传感器21、电机驱动芯片和充电管理芯片；
如图7所示，所述主齿条13、副齿条17靠近主控制板11的一端各伸出一段检测面22，两个检测面22分别位于主控制板11上两个反射型光电传感器21的正下方，检测面22上等距分布矩形锯齿；由于反射型光电传感器21在其量程范围内靠近检测面22时，其输出的电流信号大小与其到检测面22距离成正比，而检测面22上等距分布的矩形锯齿的高度根据传感器21的检测范围而设计，当锯齿的高点位于传感器21正下方时，输出电流最小，锯齿的低点位于传感器21正下方时，输出电流最小，电流信号经转换电路转换成电压，处理器上的ADC端口采样处理后即可得到具体的电压值参数，进而根据该参数的变化次数实现计数，由于锯齿等距分布且尺寸已知，因此可以计算出任一时刻主齿条13、副齿条17所处的位置，由于镜片的变焦规律与主齿条13、副齿条17所处的位置关系已知，即可算出镜片变焦度数。
根据产品设计要求，镜片变焦度数范围是-2000°到+1000°，共计3000°，均匀分布在30mm的变焦距离内，即单组镜片每运行1mm(前后镜片相对运行2mm)度数变化100°，这是镜片本身的特性。检测面锯齿按1mm间距分布，即凸起0.5mm，凹陷0.5mm，交替分布，在主齿条和副齿条上分别有15mm长度的检测面，主齿条、副齿条完全对齐时两检测面的端面正好处于反射型光电传感器正下方，在交叉运行后，任意时刻只有一个齿条的检测面位于传感器正下方，被传感器检测到。首先，处理器通过反射型光电传感器采集的检测面数据值判断哪个检测面位于传感器正下方，然后控制电机旋转直至两检测面端面对齐(此时两个传感器都有相同的数据值)，即主齿条、副齿条对齐，即前后镜片对齐。处理器将此是的位置标记为0点，对应变焦度数为-500°。假设需要变焦到-1000°，按照上述度数分布规律，需要向负度数方向运行500°，对应的齿条运行距离是-5mm，即对应检测面从端面开始计数的第5个凸点(端面的起点为凹点)，那么按上述过程采集到检测面锯齿凸点计数值为5时到达指定度数位置。该检测方法是实现该智能变焦眼镜的核心技术之一，因为该眼镜采用的是直流电机，相比步进电机、伺服电机有电机本身结构紧凑、功耗小、效率高的特点，但缺点是不能像步进电机或伺服电机那样实现定位，上述方法实现了定位功能。
所述前测距传感器5设置于外壳1正前方，并与主控制板11连接；
所述亮度距离传感器7设置于外壳1内侧中间位置，并与主控制板11连接；
所述充电接口10设置于外壳1侧面，并与主控制板11连接。
所述处理器采集三轴加速度传感器输出的加速度数据，经过周期性的采样和统计算法处理后，得到该周期内的三轴加速度值，将该值与预先设置的符合佩戴特征的三轴加速度阈值进行对比，判断眼镜当前的姿态。同时，所述处理器采集亮度距离传感器7的数据并进行分析，得到环境亮度和传感器到其前方被测物距离的数据，将亮度值和距离值与预先设置的阈值进行对比，若符合设置值范围则判定为环境亮度和检测距离有效，由于该传感器的安装位置处于鼻托上方，在用户佩戴眼镜时该传感器正对人额头位置，通过合理的设置阈值即可检测眼镜是否处于佩戴状态；根据三轴加速度传感器采集的姿态数据和亮度距离传感器7采集的亮度、距离数据进行综合分析，判断眼镜是否处于佩戴状态，实现眼镜自动开关机、自动运行、停止功能。
当眼镜处于佩戴状态时，所述处理器读取镜片运行规则数据，提取运行速度(如10°每秒)、目标位置(如-100°到+100°)和重复次数(如10次)参数，通过电机12驱动传动机构23以设定的运行速度10°每秒在目标位置-100°到+100°之间往复运行，直至达到相应重复次数10次，完成本条运行规则，继续加载下一条运行规则，按上述方式运行，直至所有运行规则被执行完毕，最终将重复执行最后一条运行规则数据。
所述电机12为微型直流电机，型号：006006-266-03，额定电压3VDC，总长28.5mm，电机直径6mm，带直径6mm、减速比1:266的行星轮减速箱，以实现较高减速比。
本发明还包括指示灯4，指示灯4设置于外壳1正前方，并与主控制板11连接，用于指示开关机状态、充电状态以及镜片运行状态。
本发明还包括喇叭9，喇叭9设置于外壳1底部，并与主控制板11连接，所述主控制板11还包括语音芯片，语音芯片能够通过喇叭9进行语音提示：在电量不足时，会提示“电量不足，请充电”。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种智能变焦眼镜，包括外壳1、镜片组2、镜腿3、指示灯4、前测距传感器5、亮度距离传感器7、鼻托8、喇叭9、充电接口10、主控制板11、电机12、传动机构23。
其中：
机构包括主齿条13、副齿条17、齿条舱14、斜齿轮19、斜齿轮20。
主控制板11上包括处理器、存储器、加速度传感器、磁场传感器、蓝牙通信模块、光电传感器21、电机驱动芯片、充电管理芯片。
具体实现方法：
1.镜片运行的规则数据由上位机通过无线通信模块发送给眼镜的主控制板(11)，经处理器解析后保存到存储器。镜片运行规则数据包括运行速度、目标位置、重复次数等参数。
2.处理器采集加速度传感器、亮度距离传感器数据并进行分析，根据振动数据、亮度数据、距离数据的特征判断眼镜是否处于佩戴，从而自动控制眼镜开机、关机、运行、停止等动作。
3.运行过程中，处理器读取镜片运行规则数据，提取运行速度、目标位置、重复次数等参数，通过电机驱动机构以设定的速度值运行到目标位置，重复运行，直至达到相应次数。
4.采用功耗较低的微型直流电机，通过高精度的光电传感器以及在机构上设计相应的传感器检测结构，实现直流电机的高精度定位，解决变焦精度与小型化、轻量化的矛盾。
5.电机输出轴采用蜗杆18输出，通过斜齿轮第一19与主齿条13啮合，驱动主齿条运动，主齿条13通过斜齿轮第二20与副齿条17啮合，形成相对运动，分别带动与之相连的前镜片、后镜片作相对运动，从而实现变焦。电机输出轴、第一斜齿轮19、第二斜齿轮20、主齿条13、副齿条17全部安装在齿条舱14中，齿条舱内部为滑轨形式，起支撑齿条和导向作用。该传动充分利用零件加工精度远高于装配精度的优势，仅需保证零件加工精度，而对装配精度要求低，装配简单方便，可靠性高。
6.主控制板11和电机12分别安装在齿条舱14一端，利用齿条舱上的安装接口实现定位，在确保安装精度的同时，充分利用眼镜横向空间，缩小前后宽度和上下高度空间的占用，提高产品的紧凑性。
7.主齿条、副齿条靠近主控制板11的一端各伸出一段检测面22，分别位于主控制板11上两个反射型光电传感器的正下方，检测面上等距分布矩形锯齿，根据反射型光电传感器的特点，被检测物与传感器的距离变化将导致传感器输出电流或电压信号强度发生变化，由主控制板11上的处理器对信号进行处理分析，以计数的方式判断机构当前位置。
8.主控制板11上集成处理器、存储区、蓝牙通信芯片、磁场传感器、三轴加速度传感器、前测距传感器5、亮度距离传感器7、反射型光电传感器21、充电管理芯片、语音芯片，实现数据通信、数据存储、用户佩戴行为检测、用户用眼距离检测、电池充电管理、语音提示。通过三轴加速度传感器、亮度及近距离检测传感器的数据，检测眼镜的姿态及用户的佩戴行为，实现眼镜自动开关机、自动运行、停止功能，增强产品智能化程度，提高用户使用感受。
本发明提供了一种智能变焦眼镜及其变焦方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种智能变焦眼镜，其特征在于，包括外壳(1)、镜片组(2)、前测距传感器(5)、亮度距离传感器(7)、处理器、三轴加速度传感器、电机(12)和传动机构(23)；
所述镜片组(2)包括两组镜片，分别为前镜片(24)和后镜片(25)，所述传动机构(23)和镜片组(2)相连接；
所述前测距传感器(5)安装在外壳(1)前端，所述亮度距离传感器(7)安装在外壳(1)内侧，所述处理器、三轴加速度传感器安装在外壳(1)上；
所述电机(12)和传动机构(23)相连接，驱动传动机构(23)运动；
处理器获取三轴加速度传感器、前测距传感器(5)和亮度距离传感器(7)采集的数据，经分析处理后输出控制信号到电机(12)，通过电机(12)驱动传动机构(23)运行，从而带动镜片移动，实现智能变焦。
2.根据权利要求1所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述处理器对三轴加速度传感器采集的姿态数据和亮度距离传感器(7)采集的亮度、距离数据进行综合分析，判断眼镜是否处于佩戴状态，实现眼镜自动开关机、自动运行、停止功能。
3.根据权利要求2所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，当眼睛处于佩戴状态时，所述处理器读取镜片运行规则数据，提取运行速度、目标位置和重复次数参数，通过电机(12)驱动传动机构(23)以设定的运行速度运行到目标位置，重复运行，直至达到相应重复次数。
4.根据权利要求3所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述传动机构(23)包括主齿条(13)和副齿条(17)，所述主齿条(13)通过第一连接件(15)与前镜片(24)相连接，副齿条(17)通过第二连接件(16)与后镜片(25)相连接，从而驱动前镜片(24)、后镜片(25)移动。
5.根据权利要求4所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述处理器、三轴加速度传感器封装在主控制板(11)上。
6.根据权利要求5所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述主控制板(11)还包括反射型光电传感器(21)，用于检测前、后镜片的位置。
7.根据权利要求6所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述主控制板(11)还包括磁场传感器和电机驱动芯片，其中，磁场传感器用于检测前镜片、后镜片是否被取下，电机驱动芯片用于驱动电机(12)。
8.根据权利要求7所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述主齿条(13)、副齿条(17)靠近主控制板(11)的一端各伸出一段检测面(22)，两个检测面(22)分别位于主控制板(11)上两个反射型光电传感器(21)的正下方，检测面(22)上等距分布矩形锯齿。
9.根据权利要求8所述的一种智能变焦眼镜，其特征在于，所述主控制板(11)还包括无线通信模块，用于接收上位机发送的运行规则数据以及其它配置参数，同时向上位机发送眼镜采集或记录的数据。
10.一种智能变焦眼镜变焦方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，处理器以50ms为周期，采集X、Y、Z三轴加速度传感器输出的加速度数据，求平均值并保存为一组数据，每N组数据对比得出最大值、最小值，求最大值、最小值之差得到三轴加速度变化率，将该值与预先设置的符合佩戴特征的三轴加速度变化率阈值进行对比，判断眼镜是否存在有效的振动，若是，则判定第一佩戴条件满足；同时通过上述的平均值判断眼镜当前的姿态，若未处于倒置状态，则判定第二佩戴条件之一满足；处理器采集亮度距离传感器的数据并进行分析，得到环境亮度和传感器到其前方被测物距离的数据，将亮度值和距离值与预先设置的阈值进行对比，若符合设置值范围则判定为环境亮度和检测距离有效，判定第三佩戴条件满足，上述三个佩戴条件同时满足时判定眼镜处于佩戴状态，执行步骤2，否则等待时间T后继续判断眼镜是否处于佩戴状态；
步骤2，处理器通过无线通信模块接收上位机发送的镜片运行规则数据，提取镜片运行规则数据中的运行速度、目标位置和重复次数参数，通过电机驱动传动机构以设定的运行速度运行到目标位置，重复运行，直至达到相应重复次数。
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